上海斐卓噴霧Feizhuo

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噴霧檢測-CFD模擬實驗

2020年6月20日

脫硝噴槍CFD模擬試驗選型

一.認(rèn)識CFD

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學(xué)）的簡稱。它是伴隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡單地說，CFD相當(dāng)于"虛擬"地在計算機(jī)做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況?？梢哉J(rèn)為CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。

二.為什么用CFD

     CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，故其逐漸受到人們的青睞。CFD方法具有不可比擬的優(yōu)點，且由于當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程應(yīng)用所接受。盡管CFD方法還存在可靠性和對實際問題的可算性等問題，但這些問題已經(jīng)逐步得到發(fā)展和解決。

三.什么是CFD

         什么是CFD?簡單地說，CFD就是利用計算機(jī)求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)，這其中將涉及流體力學(xué)(尤其是湍流力學(xué))、計算方法乃至計算機(jī)圖形處理等技術(shù)。

因問題的不同，CFD技術(shù)也會有所差別，如可壓縮氣體的亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。對于煙氣冷卻領(lǐng)域內(nèi)的流動問題，多為低速流動，流速在10m/s以下；流體溫度或密度變化不大，故可將其看作不可壓縮流動，不必考慮可壓縮流體高速流動下的激波等復(fù)雜現(xiàn)象。從此角度而言，此應(yīng)用范圍內(nèi)的CFD和數(shù)值傳熱學(xué)NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，煙氣冷卻領(lǐng)域內(nèi)的流體流動多為湍流流動，這又給解決實際問題帶來很大的困難。由于湍流現(xiàn)象至今沒有完全得到解決，目前HVAC內(nèi)的一些湍流現(xiàn)象主要依靠湍流半經(jīng)驗理論來解決。

總體而言，CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化。

3.1建立數(shù)學(xué)物理模型

建立數(shù)學(xué)物理模型是對所研究的流動問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對于煙氣冷卻工程領(lǐng)域的流動問題而言，通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程。另外，由于暖通空調(diào)領(lǐng)域的流體流動基本為湍流流動，所以要結(jié)合湍流模型才能構(gòu)成對所關(guān)心問題的完整描述，便于數(shù)值求解。

如下式為粘性流體流動的通用控制微分方程，隨著其中的變量f的不同，如f代表速度、焓以及湍流參數(shù)等物理量時，上式代表流體流動的動量守恒方程、能量守恒方程以及湍流動能和湍流動能耗散率方程。基于該方程，即可求解工程中關(guān)心的流場速度、溫度、濃度等物理量分布。

3.2數(shù)值算法求解

上述的各微分方程相互耦合，具有很強(qiáng)的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。這就需要對實際問題的求解區(qū)域進(jìn)行離散。數(shù)值方法中常用的離散形式有：有限容積，有限差分，有限元。目前這三種方法在煙氣冷卻工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中均有應(yīng)用?？傮w而言，對于煙氣冷卻領(lǐng)域中的低速，不可壓流動和傳熱問題，采用有限容積法進(jìn)行離散的情形較多。它具有物理意義清楚，總能滿足物理量的守恒規(guī)律的特點。離散后的微分方程組就變成了代數(shù)方程組，表現(xiàn)為如下形式 可見，通過離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數(shù)方程，采用一定的數(shù)值計算方法求解式表示的代數(shù)方程，即可獲得流場的離散分布。從而模擬關(guān)心的流動情況。

3.3結(jié)果可視化

上述代數(shù)方程求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關(guān)人員理解。因此將求解結(jié)果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術(shù)應(yīng)用的必要組成部分。通過計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。如下圖2所示即為某會議室側(cè)送風(fēng)時的速度場和溫度場。其中顏色的暖冷表示溫度高低，矢量箭頭的大小表示速度大小?？梢姡ㄟ^可視化的后處理，可以將單調(diào)繁雜的數(shù)值求解結(jié)果形象直觀地表示出來，甚至便于非專業(yè)人士理解。如今，CFD的后處理不僅能顯示靜態(tài)的速度、溫度場圖片，而且能顯示流場的流線或跡線動畫，非常形象生動。

四.應(yīng)用案例

工程案例：保定市某發(fā)電廠2×150MW機(jī)組煙氣SNCR脫硝工程

運用CFD技術(shù)尋找合適的SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口位置，以及模擬還原劑與煙氣的混合情況，對SNCR脫硝系統(tǒng)的噴槍設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化選型（脫硝噴槍形式、噴射角度和噴射速度等），為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

優(yōu)化前，布置8支脫硝噴槍，還原劑霧滴蒸發(fā)所需時間較長，氨濃度分布不均，偏向一側(cè)，脫硝效率低；優(yōu)化后，增加4支噴槍，還原劑霧滴蒸發(fā)所需時間有所縮短，氨濃度分布均勻，有利于提高脫硝效率。